Бесконтактный термоэлектрический преобразователь

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

09) (11) (5))5 Н 01 L 35/32 пулитко- теii )езкдя I

Б 1ЬЛ))о (ЫА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ)ТИЙ (46) 23. 08. 90. Бюл. N - 3) (21) 3970744/24-25 (22) 22.10.85 (7 1) Институт электроники АН БССР (72) Ю.И.Горбачев, Ю.И.Гулюк и В.И.Кривонощенко (53) 621.362.2(088.8) (56) Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. — Киев. Наукова думка, 1979, с. 519-529.

Гуревич И.Л. и др. Автоматизированный прибор для точного измерения широкополосных напряжений. Техника средств связи, сер. Радиоизмеритель- ная техника, вып. 7(25), с. 102-108. (54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ТЕРИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение может быть использовано в приборостроении, связи и других областях техники, где необходимо обеспечить точное преобразование переменного напряжения, произвольной формы в широком диапазоне частот в постоянное по уровню среднеквадратичного значения. Целью изобретения является повышение точности преобразования термоэлектрического преобразователя (ТЭП) на высоких частотах за счет выполнения нагревателя ТЭП по крайней мере с одним участком, не имеющим теплового контакта с термо" чувствительными элементами ТЭП и шунтированным расположенным на поверхности подложки пленочным конденсатором. Это практически полностью компенсирует погрешность преобразования на высших частотах рабочего диапазо-. на. 2 ил., 1 табл.

1376855 (2) Z -К,+3Х„+г,, 0 (5) Z Е,exp(jg) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в преобразователях переменно го напряжения В широком диапазоне частот в постоянное.

На фиг. 1 изображен предлагаемый бесконтактный термоэлектрический преобразователь; на фиг. 2 — эквивалентная схема цепи нагревателя. 1р

Преобразователь содержит диэлектрическую подложку 1, на одной из поверхностей которой размещен пленочный резистивный нагреватель 2, а на противоположной — пленочная термоба-. 15 тарея, состоящая из термопар, ветви

3 и 4 которых имеют различные термоэлектрические свойства. Нагреватель

2 содержит резистивный участок 5, зашунтнрованный пленочным конденса- 20 тором. Этот конденсатор размещен на поверхности подложки 1. Обкладка 6 и 7 конденсатора изолированы одна от, t другой диэлектрической прослойкой 8.

Обкладка 6 имеет контакт 9 с одним 25 из концов резистнвного участка 5, другой конец которого соединен с обкладкой 7. Горячие спаи 10 термопар расположены в зоне нагревателя и имеют с иим, за исключением участ- 30 ка 5. тепловой контакт через подложку. Нагреватель и термобатарея имеют расположенные на подложке пленоч.ные контактные площадки 1 i.

На эквивалентной схеие цепи нагревателя (см. фиг. 2) резистор Р, соответствует участку нагревателя, имеющему тепловой контакт с термочувствительнымн элементами термобатареи, индуктивность L — паразитной @3 индуктивности нагревателя, резистор

R — не имеющему теплового контакта

2 с териочувствительпыии элементами термобатареи участка нагревателя, зыпунтированноиу конденсатором, обоз- 4 наченным на схеме емкостью С.

Приложение переменного напряжения

U с угловой частотой ы к точкаи а и г цепи вызывает возникновение в ней электрического тока

Зо где Z — коиплексное сопротивление о всей цепи.

Сопротивление можно представить в виде где Х Q L - сопротивление индуктив"

L ности L;

2, - комплексное сопротивление участка в-г, корректирующего каскад.

Сопротивление Z, выражают через комплексную проводимость с

1 1 3 ав зв +

Е, К Х С

1 где Х - сопротивление еикосс яс ти С.

После некоторых преобразований определяют

1. R2

Z - (— +3 C)

R 1+(1 рС

2 (3)

3 1+(R ас)2

Подставив выражение для Z в уравнение (2), получают

К2 o 1 + (Р уС) 2

Для удобства проведения дальнейших преобразований переходят от алгебраической формы записи уравнения (4) к показательной, для чего опрег деляют модуль Z и угол(у между ак" тивной и реактивной составляющими коплексного сопротивления ZD

К +R +К (К С) (6) Уравнение (4) в показательной форие имеет вид а+Г.. C+L(R,ßC) х ехр Загс В 1 +11 + 1 1 С, ° (7) 1376855

q = arctg0 О, U

I — ехр (-j q>) ь

Ю (9}, (10) и (11), окончательно полу(8) чают х exp "jarctg

Для обеспечения высокой точности преобразования необходимо, чтобы при

15 измерении частоты проходящего IIo цепи неизменного по модулю электрического тока выделенная в резисторе К, электрическая мощность была постоянна. Выделенная в резисторе R, мощ-. ность с учетом выражения (8) (12) .* К,+К ф

U К является полностью активный и не за висит от фазы переменного тока, а определяется модулем его комплексного значения; который„ в свою очередь, 35 зависит от модуля комплексного сопротивления всей цепи. Следовательно, обязательным условием является постоянство модуля комплексного сопротивления всей цепи в зависимости от 40 частоты (14) Z о

const.

Анализ выражения (9) показывает, что на постоянном токе или когда частота проходящего по цепи переменного тока мала, при Я- О, модуль комп"лексного сопротивления (10)

55 о К К2>

С учетом выражений (1) и (7) ток в цепи

QtL-R,C+L(R uC) 3 х ехр j2arctg

R <+R2+R < (К, аС) а угол между активной и реактивной составляющими, как следует иэ выражения (6) т.е. общее сопротивление цепи становится полностью активным. Для обеспечения возможности осуществления необходимой коррекции общего сопротивления цепи в диапазоне частот О-О и, принимая во внимание выражения

Из выражения (12) следует, что эффективность частотной коррекции общего сопротивления цепи в предло" женной схеме обеспечивается в диапазоне от О до некоторой резонансной частоты Ио,которая зависит от соответствующих величин элементов С, L и К и не зависит от К,. Частоту и . можно определить из выражения (4), приравняв к нулю коэффициент при мнимой части и подставив вместо И частоту Я,, z (13) После проведения некоторых преобразований имеют

Приведенный теоретический расчет эквивалентной схемы и полученные со.отношения между основными элементами показывают, что при правильном учете активных и реактивных составляющих .комплексного сопротивления нагревателя и соответствующем выборе активных If реактивных параметров элементов корректирующего каскада

° в предложенном преобразователе обеспечивается эффективная частотная коррекция комплексного сопротивления цепи нагревателя в диапазоне частот

О-а,, практически устраняется возможность возникновения погрешности на высоких частотах и гарантируется высокая точность преобразования во всем рабочем частотном диапазоне.

Пример. На одну иэ поверхностей диэлектрической подложки 1 из оксида алюминия или слюды размерами

8х4,5х0,03 мм осаждают пленки ре1376855 зистивного материала (нихрома)

Х20Н80 или кермета (К50С) в места расположения нагревателя 2 и участка

5 нагревателя, а также пленки материала с высокой удельной электропронадностью (никеля НП1Эв, меди ИВ или серебра Ag 999 9) в места расположения контактных площадок 11 н обкладок

6 и 7 пленочного конденсатора. Пред- 10 нарительно, перед осаждением обкладки 6 пленочного конденсатора, на обкладке 7 формируют пленочную прослойку 8 из диэлектрического материала (окисей кремния, алюминия или 15 титана), На противоположной поверхности подложки 1 осаждают пленки материала с высокой удельной электропронодностью (никеля НП1Эв, меди ИБ или серебра Ag 999,9) в места рас- 20 положения контактных площадок 11, а также пленки, образующие ветви 3 и 4 термопар, из различных термочувствительных материалов. (висмут — сурьма или теллурид свинца-теллурид германия} . 25

Горячие спаи 10 термопар фамируют последовательным осаждением пленок термочувствительных материалов внахлест. Термобатарея образована после" довательной коммутацией ветвей 3 и 4 30 соседних термопар.

Обкладку 7 пленочного конденсатора можно сформировать и на противоположной па отношению к обкладке 6 поверхности подложки 1. При этом отпадает необходимость формирования диэлектрической прослойки 8. В этом случае обкладка 7 имеет собственную контактную площадку 11 и соединяется с соответстнующйм концом участка 5

Ф нагревателя посредством дополнительной коммутации.

Нагреватель имеет геометрические размеры 4.81х0,2 мм, причем размеры участка, имеющего тепловой контакт с термочунстнительными элементами термобатареи, — 4,55х2 мм, а размеры участка, не имеющего такого контакта, — 0,16х0,2 мм. Термобатарея содержит 30 термопар, каждая ветвь которых имеет. геометрические размеры 1,1хО, 1 мм. Промежуток между ветвями соседних термопар 0,05 мм.

Сопротивление постоянному току участка нагренателя, имеющего тепло» ной контакт с термочунстнптельными

55 элементами термобатареи, составляет

75 Ом. Данный участок обладает паразитной индуктинностью

L = 3,938 10 Гн, которая на частоте Г = 100 ИГц оказывает сопротивление переменному току

Р

Х„ = 2,473 Ом.

Величина сопротивления постоянному току участка нагревателя, не имеющего теплового контакта с термочувствительными элементами термобатареи и входящего в состав корректирующего каскада, выбрана компромисно. С одной стороны, для того чтобы в нем рассеивалось меньше активной мощности, его сопротивление должно быть низким. Однако для того чтобы обеспечить эффективную коррекцию комплексного сопротивления цепи нагревателя в рабочем диапазоне частот и расширить этот диапазон в сторону более высоких частот, его сопротивление должно быть достаточно высоким. В диапазоне частот 0-100 ИГц достаточно, чтобы сопротивление данного участка имело величину 2 Ом и было соизмеримо с реактивным сопротивлением паразитной индуктивности нагревателя на частоте 100 ИГц. Величину емкости конденсатора корректирующего каскада можно определить из выражения (14), представив его в в иде 2. до .С вЂ” к С + ? = О.

В предложенном преобразователе величина данной емкости выбрана равной

102ь 2 пФ.

Цепь нагревателя содержащая эле- менты с указанными параметрами, на постоянном токе имеет сопротинление

77 Ом. В таблице приведены результаты расчета модуля Z, комплексного сопротинления Z, цепи нагревателя. и погрешности от изменения модуля 2 для различных частот проходящего по цепи переменного тока с использованием выражения (5)

Как показывают результаты расчета, н предложенном преобразователе в рабочем диапазоне частот 0-100 ИГц практически отсутствует частотная погрешность от изменения реактивного сопротивления паразитной индуктивности нагревателя, а, например, на

1376855 частотах до 400 ИГц включительно пог- величина емкости С которого выбрана решность не превышает О, 16Х. из соотношения

1 + (R uC) Формула изобретения

R аС

1+ (К,яс) ) ®» " где К, í R - величины электрическог@ сопротивления ностоян-: ному току участков нагревателя „имеющего и не имеющего теплового кон такта с термочувствн" тельными элементами батареи соответственно .

L — - величина паразитной йн» дуктивностн нагревате ля, Q « «угловая частота верЬменного напряжения, поданного на нагреватель.

Иодуль Z, Частота переменног .тока, ИГц отная пог» ость, Х

77,000

77, 060

77, ООО

77,005

77, 119

78,261

f00

200

400

800

Г>есконтактный. термоэлектрический преобразователь, содержащий диэлект. рическую подложку, на поверхности ко" 10 торой размещены пленочные нагреватель и батарея термочувствительных элементов, имеющих тепловой контакт с нагревателем, о т л и ч а ю щ и й-. с я тем, что, с целью повышения 1$ точности преобразования на высоких

" чатотах, нагреватель содержит по крайней мере один не имеющий теплового контакта с термочувствительными элементами батареи участок, зашунти- 20 рованный расположенным на поверхнос-. ти подложки пленочным конденсатором, О,ООО

0,000

О,ООО

0,006

0,$55 1 638

1376855

Составитель О.Федотов

Редактор Т.Иванова, Тех р ед И. Попович Корректор И.Иаксииишине .Р е нец

Заказ 3087

Тираж 444 - Подписное

" ВНКПП1 Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035., Москва, И"35, Раушскаа набьр дэ 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие " У г, жгород, ул. Проектная, 4